Comprensione della curvatura dell'albero nelle macchine rotanti
Definizione: Che cosa è Shaft Bow?
Arco dell'asta (chiamata anche flessione dell'albero, prua del rotore o semplicemente "prua") è una condizione in cui un rotore l'albero ha sviluppato una curvatura permanente o semipermanente, che lo fa deviare da una linea centrale rettilinea. A differenza di temporaneo esaurire che potrebbe essere causato da un componente allentato o da un montaggio eccentrico, la curvatura dell'albero rappresenta una deformazione effettiva del materiale dell'albero stesso.
L'arco dell'asta produce vibrazione sintomi che superficialmente assomigliano sbilanciare, ma non può essere corretto tramite metodi convenzionali bilanciamento procedure. Ciò rende fondamentale una diagnosi corretta per evitare di perdere tempo nel tentativo di bilanciare un'asta arcuata.
Tipi di arco ad asta
L'arco dell'asta può essere classificato in base alla causa e alla durata:
1. Arco meccanico permanente
Si tratta di una deformazione plastica (permanente) del materiale dell'albero causata da:
- Sovraccarico o impatto meccanico
- Sollevamento o movimentazione impropri durante la manutenzione
- Abbassare il rotore
- Eccessiva sollecitazione di flessione durante il funzionamento
- Difetti di fabbricazione o trattamento termico improprio
Una volta che l'asta si è ceduta (deformata in modo permanente), l'arco rimane in posizione anche quando l'asta è ferma e tutti i carichi vengono rimossi.
2. Arco termico (transitorio)
Chiamato anche arco termico o fiocco caldo, Si tratta di una condizione temporanea causata dal riscaldamento non uniforme dell'albero. Il lato riscaldato si espande più del lato freddo, creando una curvatura temporanea. Le cause includono:
- Fonti di calore asimmetriche (fluido di processo caldo da un lato, aria di raffreddamento dall'altro)
- L'attrito del cuscinetto riscalda un lato dell'albero
- Gli sfregamenti del rotore generano un riscaldamento localizzato
- Riscaldamento solare su attrezzature esterne
- Procedure di riscaldamento improprie per turbine di grandi dimensioni
L'incurvamento termico in genere scompare quando l'albero si raffredda uniformemente o quando viene raggiunto l'equilibrio termico. Tuttavia, ripetuti cicli di incurvamento termico possono alla fine causare un cedimento permanente.
3. Arco da stress residuo
Le sollecitazioni residue interne derivanti da saldatura, trattamento termico o processi di fabbricazione possono causare una lenta curvatura dell'albero nel tempo, in particolare quando sottoposto a temperature di esercizio o carichi meccanici che causano una riduzione delle sollecitazioni.
Cause dell'arco dell'asta
Comprendere le cause profonde aiuta a prevenire l'incurvamento dell'asta e a guidare le azioni correttive:
Cause meccaniche
- Sovraccarico: Funzionamento a carichi superiori ai limiti di progettazione
- Conservazione impropria: Conservare gli alberi orizzontalmente senza un supporto adeguato, causando cedimenti nel tempo
- Cattiva gestione: Sollevamento tramite l'albero anziché tramite punti di sollevamento designati
- Incidente o impatto: Caduta, collisione o danni causati da oggetti estranei
- Grippaggio del cuscinetto: Un cuscinetto bloccato può causare la flessione dell'albero sotto la coppia motrice
Cause termiche
- Riscaldamento non uniforme: Distribuzione non uniforme della temperatura attorno alla circonferenza dell'albero
- Rapidi cambiamenti di temperatura: Shock termico durante l'avvio o l'arresto
- Punti caldi: Riscaldamento localizzato dovuto ad attrito, sfregamento o condizioni di processo
- Riscaldamento inadeguato: Avviare turbine fredde o grandi macchine troppo rapidamente
- Procedure di spegnimento: Consentire a un albero caldo di smettere di ruotare prima del raffreddamento (cedimento termico)
Cause di materiali e fabbricazione
- Scarsa qualità del materiale: Inclusioni, vuoti o disomogeneità del materiale
- Trattamento termico improprio: Tensioni residue da tempra o rinvenimento
- Distorsione della saldatura: Saldatura asimmetrica che crea tensioni residue
- Sollecitazioni di lavorazione: Sollecitazioni indotte durante la produzione
Come l'arco dell'asta provoca vibrazioni
Un albero curvo crea vibrazioni attraverso due meccanismi:
1. Squilibrio geometrico
Quando un albero curvo ruota, la sua linea centrale curva traccia un cono o un altro percorso non circolare. Anche se la distribuzione della massa del rotore è perfettamente bilanciata, la geometria curva crea una massa rotante eccentrica che genera forze centrifughe, producendo una vibrazione 1X (vibrazione alla frequenza di rotazione dell'albero).
2. Carico di momento sui cuscinetti
La curvatura crea momenti flettenti che vengono trasmessi ai cuscinetti, causando carichi variabili sui cuscinetti e vibrazioni.
Rilevamento dell'arco dell'asta
Distinguere l'arco dell'albero dal vero squilibrio di massa è fondamentale per una risoluzione efficace dei problemi:
Confronto dei sintomi: arco vs. squilibrio
| Caratteristica | Sbilanciare | Arco dell'asta |
|---|---|---|
| Frequenza di vibrazione | 1X velocità di corsa | 1X velocità di corsa |
| Relazione di fase | Coerente, sempre uguale | Potrebbe cambiare durante il riscaldamento |
| Vibrazione a rotolamento lento | Presente (proporzionale alla velocità²) | Presente e spesso significativo anche a velocità molto bassa |
| Risposta al bilanciamento | Vibrazioni ridotte grazie al corretto bilanciamento | Miglioramento minimo o nullo; potrebbe peggiorare |
| Sensibilità termica | Relativamente stabile con la temperatura | Cambiamenti significativi durante il riscaldamento/defaticamento |
| Misurazione del run-out | Basso quando il rotore è a riposo | Elevata corsa anche a riposo (arco permanente) |
Test diagnostici
1. Misurazione del rollio lento
Ruotare l'albero molto lentamente (in genere 5-10% di velocità operativa) e misurare esaurire con una sonda di prossimità o un comparatore. Un'elevata eccentricità a bassa velocità indica un inarcamento dell'albero o un'eccentricità meccanica, non uno squilibrio (che produce una forza proporzionale al quadrato della velocità).
2. Spostamento di fase di spegnimento
Monitorare le vibrazioni angolo di fase quando la macchina si spegne. Il vero sbilanciamento mantiene la fase costante indipendentemente dalla velocità. Un albero curvo può mostrare variazioni di fase, in particolare durante il raffreddamento.
3. Test dell'arco termico
In caso di sospetto incurvamento termico, monitorare le vibrazioni durante l'avvio e il riscaldamento. L'incurvamento termico in genere mostra un aumento delle vibrazioni man mano che la macchina si riscalda, per poi stabilizzarsi o diminuire al raggiungimento dell'equilibrio termico.
4. Controllo di run-out fuori macchina
Rimuovere il rotore, appoggiarlo su blocchi a V o su un tornio e ruotarlo lentamente misurando l'eccentricità radiale con un comparatore. Un'eccentricità significativa (in genere > 0,001″ o 25 µm) conferma l'incurvatura permanente.
5. Ispezione visiva
Per aste di grandi dimensioni, l'osservazione visiva lungo la lunghezza dell'asta o l'uso di metodi ottici (allineamento laser) possono rivelare una prua evidente.
Metodi di correzione
La correzione appropriata dipende dalla gravità e dal tipo di inchino:
Per arco meccanico permanente
1. Raddrizzamento dell'albero
Per inchino da lieve a moderato (tipicamente < 0,005" o 125 µm), l'albero può talvolta essere raddrizzato a freddo o a caldo utilizzando presse idrauliche. Ciò richiede attrezzature specializzate e tecnici qualificati. L'albero viene supportato e caricato con cura per deformarlo plasticamente e riportarlo dritto.
2. Sollievo dallo stress termico
Trattare termicamente l'albero per alleviare le tensioni residue, riducendo o eliminando potenzialmente le deformazioni dovute a cause di stress. Ciò richiede attrezzature di cottura e un controllo di processo adeguati.
3. Sostituzione dell'albero
In caso di curve estreme o in applicazioni critiche, la sostituzione è spesso la soluzione più affidabile. Il costo di un nuovo albero deve essere valutato in base ai tempi di fermo e al rischio di fallimento dei tentativi di raddrizzamento.
4. “Equilibrio attorno all’arco”
In alcuni casi, in particolare per le turbine di grandi dimensioni, è possibile calcolare e installare pesi di correzione per contrastare l'effetto della curvatura. Questo non risolve il problema, ma riduce al minimo le vibrazioni. Questo approccio presenta dei limiti ed è in genere una soluzione temporanea.
Per arco termico
1. Modifiche alle procedure operative
- Implementare procedure di riscaldamento lento
- Mantenere il funzionamento continuo dell'ingranaggio di rotazione durante l'arresto per prevenire cedimenti termici
- Controllare più attentamente l'immissione del vapore o le temperature del fluido di processo
- Garantire un riscaldamento/raffreddamento simmetrico
2. Modifiche al design
- Aggiungere isolamento per ridurre i gradienti termici
- Installare giacche riscaldanti per un riscaldamento uniforme
- Migliorare il sistema di raffreddamento per garantire una distribuzione uniforme della temperatura
3. Funzionamento dell'ingranaggio di tornitura
Per le turbine di grandi dimensioni, azionare il meccanismo di rotazione (azionamento rotatorio a bassa velocità) durante il riscaldamento e il raffreddamento per ruotare l'albero ed evitare che si sviluppi una curvatura termica.
Strategie di prevenzione
Prevenire l'incurvamento dell'asta è molto più semplice che correggerlo:
Progettazione e produzione
- Utilizzare procedure di trattamento termico adeguate per ridurre al minimo le tensioni residue
- Progettare un'adeguata rigidità dell'albero per l'applicazione
- Specificare i materiali appropriati per l'ambiente termico
Installazione e manutenzione
- Sollevare sempre i rotori utilizzando i punti di sollevamento designati, mai dall'albero
- Conservare i rotori di ricambio con un supporto adeguato per evitare cedimenti
- Evitare urti meccanici durante la manipolazione
- Controllare periodicamente la rettilineità dell'albero (annualmente o secondo la programmazione del produttore)
Operazione
- Seguire le procedure di riscaldamento e spegnimento del produttore
- Evitare rapidi sbalzi di temperatura
- Monitorare i segnali di curvatura termica durante gli avviamenti
- Indagare su eventuali cambiamenti inspiegabili nella fase di vibrazione
Impatto sulle procedure di bilanciamento
Tentare di bilanciare un'asta curva è generalmente inutile e può essere controproducente:
- Correzioni inefficaci: I pesi di bilanciamento calcolati per lo squilibrio di massa non correggeranno l'arco geometrico
- Mascherare il problema: Un “bilanciamento” parzialmente riuscito di un albero arcuato può ridurre temporaneamente le vibrazioni ma lasciare irrisolto il problema di fondo
- Tempo sprecato: Molteplici iterazioni di bilanciamento senza successo indicano la necessità di verificare l'arco
- Danni potenziali: L'aggiunta di grandi pesi di correzione a un albero curvo può aumentare le sollecitazioni e causare ulteriori danni
Buone pratiche: Prima di iniziare le procedure di bilanciamento, verificare sempre che l'albero non sia piegato, in particolare se il rotore ha subito manipolazioni, eventi termici o problemi di vibrazioni inspiegabili.
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